鄂北HJQ地区微幅岩溶古地貌恢复技术及实践

2023-10-11伍国勇王彬权王潇然魏三妹

石油物探 2023年5期

伍国勇,王彬权,王潇然,魏三妹,白俊

(中石化石油物探技术研究院有限公司,江苏南京211103)

发育于不整合之下的碳酸盐岩风化壳岩溶型气藏是一种重要的碳酸盐岩气藏类型,风化壳附近的碳酸盐岩经过长期风化淋滤与暴露剥蚀作用,易发育溶蚀孔、洞、缝,故具备良好的油气储集条件[1-2]。

岩溶风化壳型天然气勘探的关键是寻找储层[3],古地貌形态对岩溶型优质储层的发育与分布起着重要的控制作用,是天然气富集程度的主要影响因素,因此,古地貌恢复对于碳酸盐岩风化壳岩溶型油气资源勘探开发至关重要。目前,国内外有关古地貌恢复方面的方法较多且较为成熟,针对鄂尔多斯盆地的古地貌恢复,前人进行了较多的方法及技术研究。胡华蕊等[4]根据地层厚度结合地层对比方法对鄂尔多斯盆地奥陶世晚古生代地貌进行了恢复,对古地貌演化进行了探讨;王建民等[5]利用奥陶系风化壳残余厚度与不整合面上覆石炭系厚度变化关系进行古地貌综合恢复,建立了古地貌单元属性综合地质模型;乔博等[6]综合利用印模法和残厚法,提出一种基于任意虚拟参考面开展古地貌高程表征与侵蚀沟槽预测方法;闫海军等[7]和刘永涛等[8]在常用古地貌恢复方法对比分析基础上,提出了“双界面”古地貌恢复方法,开展古地貌恢复的半定量化分析;高照普[9]、付晓燕等[10]、欧阳诚等[11]主要通过填平补齐印模法进行古地貌单元划分。此外,王建国等[12]对构造趋势面进行转换,推算了克拉通盆地弱变形区沉积期微幅度古地貌;陈泉键等[13]在研究岩溶白云岩储层主控因素的基础上,对不同岩溶相带水平井进行测井解释,并分析了岩溶微古地貌对岩溶白云岩储层的控制作用。

上述方法不同程度解决了鄂尔多斯盆地区域性古地貌恢复难题,当古地貌宏观格局及奥陶系残留地层保存相对较全时方法适用性较好。从前人对本研究区区域古地貌恢复结果[4]可知,尽管本区总体处于古地貌斜坡部位,但由于古地貌次级单元微小变化难以准确刻画,造成钻井充填特征及产能差异大,因此需要进行更高精度的微幅古地貌精细恢复。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地属于华北地台,以中央古陆为界,西侧为祁连陆缘海,东侧为华北陆表海[14]。构造特征上呈现从南部盆内平缓斜坡区向北部盆缘隆起区过渡的特点,盆地北部因接收低能的陆表海沉积,故地层沉积稳定,下奥陶统马家沟组自下而上分为6段,其中马一段、马三段和马五段形成于海退阶段,以含粘土的白云岩为主;马二段、马四段和马六段形成于海侵阶段,以泥晶灰岩夹不同程度白云岩为主[1]。

鄂北HJQ地区马四段顶部发育一套碳酸盐岩风化壳储层。晚奥陶世受加里东运动影响,华北地台整体抬升,奥陶系碳酸盐岩经历了长达1.4亿年风化淋滤,为油气聚集成藏提供了有利的储集空间[15],HJQ地区处于盆地北部的伊盟隆起边缘,地层剥蚀厚度大,风化壳开壳层位低,勘探程度低。近年来,HJQ地区马四段灰岩缝洞型储层中多口井钻遇工业气流,显示本区下古生界风化壳岩溶型气藏具有较大的天然气勘探潜力。

受加里东运动影响,盆地北部地层大幅抬升并遭受多期风化剥蚀作用,上古生界地层由南向北逐渐超覆尖灭,呈角度不整合覆盖于寒武系、长城系及太古界之上,缺失下奥陶统冶里组、亮甲山组、马一段和马二段[1],不整合面以下开壳层位自南向北依次变老。由于剥蚀、暴露时间长,在前石炭纪表现为准平原化阶段[16],整个鄂北地区古地貌起伏较小,上覆上古生界厚度差别仅为100m左右,因此,古地貌恢复时,尤其需要提高对细节的恢复精度。

HJQ研究区岩溶目的层为马四段,岩性为灰黑色泥晶灰岩,形成于潮下开阔海,基质孔隙基本不发育,多口井钻遇溶蚀孔、洞及裂缝,部分井获高产工业气流。但岩溶缝洞尺度小(小于15m),不同井泥质充填程度不一,油气显示及测试产能差距大,这种强非均质性的特征,反映本区古地貌单元具有快速横向变化的特点。

根据现有地质条件及地震资料,HJQ研究区高精度微幅古地貌恢复难点主要体现在3个方面。

1) 地层接触关系不稳定。奥陶系仅残留马三段和马四段地层,马三段地层与下伏寒武系地层呈平行不整合接触,马四段地层与上覆太原组、山西组陆相地层呈角度不整合接触,自南向北马四段顶部逐渐被剥蚀殆尽。由于奥陶系地层内部及下伏寒武系地层无稳定标志层,故无法利用残厚法恢复古地貌。

2) 根据现有地震资料无法得到低幅度马四段目的层残余厚度变化情况。沿构造轴向的南西—北东(SW—NE)地震剖面上(图1),现今马四段顶部不整合面(T9b)向北东平缓抬升,构造幅度变化小;奥陶系地层表现为“两峰夹一谷”特征。目的层马四段残留厚度0～80m,隐藏于马三段底(T10)及马四段顶(T9b)两套波峰之间的红波谷上部,故残余厚度的变化在地震剖面上无法得到反映。

图1 鄂北HJQ研究区典型地震剖面

3) 受地震资料分辨率低及煤层影响,现有标志层难以满足古地貌恢复精度的要求。奥陶系上覆山二段泥岩沉积稳定,地震剖面上其顶部反射(T9d)表现为低频、中等振幅且连续性较强的特点,基本符合印模法标志层条件,但受地震资料纵向分辨率较低的限制,山二段顶(T9d)准确位置落实程度不足;同时紧邻奥陶系的上部太原组还发育多套厚度不等的煤层,受低速煤层强反射干扰,奥陶系顶界面准确位置落实程度同样偏低。将山二段顶(T9d)作为标志层,利用印模法得到前石炭纪古地貌恢复结果如图2所示,反映的微古地貌单元细节并不突出,无法解释岩溶钻井差异(表1),难以建立古地貌与岩溶作用之间的客观关系。

表1 HJQ研究区5口井钻探结果

图2 鄂北HJQ研究区将山二段顶(T9d)作为标志层得到的古地貌恢复结果

2 岩溶微古地貌恢复

2.1 古地貌恢复方法选取

岩溶古地貌决定着下伏地层的保存程度[1],也控制着影响岩溶发育的地表和地下水系,古地貌与岩溶作用强度及缝洞储层充填程度有着密切的关系。岩溶古地貌恢复方法有很多,但都是基于印模法和残余厚度法这两大类基本方法。

印模法是一种逆推测量方法,主要通过选择风化壳上覆具有“填平补齐”沉积作用的稳定标志层作为基准面,求其与侵蚀面的厚度来镜像地反映侵蚀面的古地貌格局;残余厚度法则主要通过选择风化壳下伏某个稳定标志层作为基准面,利用该基准面与之上的侵蚀面残余厚度对古地貌形态进行分析[5,7,17]。

前人在盆地的区域古地貌研究中[17],使用印模法和残厚法时主要选用不整合面上覆的本溪组、太原组厚度及不整合面下伏的马五段厚度。由于本区总体处于区域古地貌相对较高的斜坡位置,本溪组未接受沉积,太原组局部发育,马五段遭受剥蚀,奥陶系仅残留马三段、马四段的部分地层,同时底部马三段与下伏寒武系地层为平行不整合接触关系,没有稳定标志层作为残厚法恢复的基础。因此需要在不整合面之上重新寻求离剥蚀面最近的具有填平补齐作用的稳定标志层作为基准面,再利用印模法进行古地貌恢复。

2.2 基于频谱延拓的地震资料高分辨率处理

研究区目的层较为平缓,印模地层厚度的微小变化对古地貌形态影响巨大,因此古地貌基准面与目标面(马四段顶不整合面)的精确拾取对于本区微古地貌的恢复起决定性作用。原始地震资料主频较低、频带偏窄,不整合面反射(T9b)受上覆太原组、山西组多套煤层影响,表现为低频强振幅特点,部分区域出现宽幅复波,解释追踪多解性强,需要进行基于频谱延拓的地震资料高分辨率处理。

地震频谱延拓技术是一种基于连续小波变换的信号分解与重构来提高特定频段能量的技术,对于地震信号来说,连续小波变换可以将信号表示成一系列不同尺度、不同频率的小波之和[18]。Morlet小波频域能量比较集中,通频带较窄,频率混叠影响较小,故适于对地震信号进行分解和重建[19],根据(1)式利用连续小波变换将地震信号分解为主谐波,然后在小波域内按倍频在高、低频段获取延拓谐波,再将改进后的主谐波和延拓谐波根据(2)式从小波域反变换到时间域,实现高频端和低频端的信号重建[20-22]。

(1)

(2)

式中:Ψ为morlet小波基;s为尺度;τ表示时移;CΨ为常数;W(τ,s)为小波正变换;f(t)为小波反变换。

地震频谱拓频技术不涉及地震子波的提取,通过井震结合,利用测井信息及合成记录进行约束,选取适合于目的层段地质特征和地震反射特点的不同主轴频率子波,分别对高频段和低频段的频率成分进行地震信号重建,优选补偿延拓因子进行频谱外推,从而获得最佳分辨率的目的层段的成像剖面。与传统叠前高分辨率处理技术[23-26]或传统叠后拓频方式如谱蓝化[27]、反褶积相比,针对有效信号,地震频谱拓频技术能在高频段频谱延拓的同时,较好地保护低频信息且不改变各频率段相对能量关系。

如图3所示,拓频后的地震资料相对原始地震资料主频提高11Hz,达到33Hz,频带也拓宽了10Hz。自下而上对比图3所示的两张剖面可知,马三段底(T10)连续可追踪性得到提高,马四段顶(T9b)、山二段顶(T9d)对应的原两套强波峰之间新辟分出一个稳定连续相位,对应为山一段底地震反射(T9c)。相较于原始地震剖面,频谱延拓后得到的剖面较好地保持了波组能量关系,地震资料信噪比和分辨率得到了大幅提高。

图3 鄂北HJQ地区频谱延拓前(a)、后(b)效果对比

图3a中W5井位置处,马四段顶(地质分层为太原组底C3t)地震反射在原始剖面上表现为低频复波特征,层位多解性强,与钻井标定存在较大误差,而经过基于频谱延拓的高分辨率处理后得到的图3b中,马四段顶(T9b)地震反射波形更稳定,消除了井震不吻合现象,拾取的4套地层界面更为精确。

利用井震标定对拓频结果进行质控,W3井分别采用主频为33Hz和22Hz的雷克子波,在相同时深关系下,拓频前、后合成地震记录(图4第5道和第6道红色)与井旁地震道(图4第5道和第6道黑色)井震波组特征及能量关系均较为吻合(图4)。值得注意的是,当地震分辨率提高后,山二段顶界面反射(T9d)位置未发生变化,山一段底界面反射(T9c)由波谷变为波峰,马四段顶反射界面(T9b)发生下移半个相位的现象,更贴近不整合面实际位置,各同相轴均具有明确的地质意义。上述结果证明拓频后的地震资料可靠,具有较高的保真性。

图4 鄂北HJQ地区地震频谱延拓前、后W3井合成记录标定对比(1ft≈30.48cm)

此外,基于频谱延拓的地震资料高分辨率处理还有利于降低上覆煤层的影响。如图5所示,马四段灰岩与太原组低速煤层间发育一套约为10m的泥岩夹层。在原始地震资料分辨率下,对W1井去煤层正演前、后的结果进行对比,当不存在煤层影响时,马四段顶反射界面位置相对会下移半个相位,这与拓频后马四段顶地震反射界面位置一致(图5b)。进行基于频谱延拓的地震资料高分辨率处理后,太原组底部泥岩与奥陶系灰岩波阻抗界面可被识别,进而解决了煤层影响造成的不整合面拾取精度不足的问题,为后续高精度微古地貌恢复提供了更可靠的地震资料。图5a中,太原组两套低速煤层与泥岩围岩形成两正一负强反射系数,在两套正反射和一套负反射强振幅波形叠加影响下,马四段顶界面位于波峰90°相位处,也就是说该地震界面与马四段顶实际位置存在半个相位的时差,原始地震资料追踪得到的最大波峰处并不一定是风化壳的准确位置。去除两套煤层引起的3套强反射波形后,由于上覆波形不再产生强叠加效应,故真实奥陶系顶地震界面出现半个相位下移(图5b)。

图5 鄂北HJQ地区W1井去煤层前(a)、后(b)正演结果对比

精细追踪马四段顶(T9b)拓频前、后的平面展布不难发现,拓频前、后剥蚀面现今构造面貌基本一致,均整体表现为向北东抬升的单斜形态,但拓频后的岩溶细节更加清楚,局部发育孤立的椭圆状落水洞、条带状溶蚀沟谷等地质现象更加丰富自然(图6)。

图6 鄂北HJQ地区马四段顶(T9b)拓频前(a)、后(b)平面展布

2.3 基准面的选取

利用印模法进行微古地貌精细恢复,关键在于寻求奥陶系顶部不整合面上覆尽可能靠近的标志层作为基准面,要求岩性界面易识别且全区稳定分布。不整合面之上的山一段底部发育一套低速煤层与相对高速泥岩组合正好满足这一条件,横向可对比性强(图7),地震反射表现为高频中、强振幅、连续稳定的沉积特征(图3中T9c),井震联合分析认为该组合沉积完成后,奥陶系岩溶地貌已被填平补齐,可作为理想的印模基准面。

2.4 岩溶微古地貌特征

在山一段底(T9c)基准面及马四段顶(T9b)目标面精细追踪基础上,利用三维速度场开展变速时深转换,利用印模法进行研究区微古地貌深度域恢复。如图8所示,研究区尽管地形较为平坦,前石炭纪古地貌高差小(40m以内),但微古地貌地质细节突出,古地貌单元类型多样,不同单元界限清楚,显示出本区不同位置溶蚀作用存在明显差异,横向变化快的特点。与前期古地貌恢复结果相比(图2),古地貌恢复精度大幅提高。

图8 鄂北HJQ地区前石炭纪岩溶微古地貌

结合前人认识,将研究区划分为岩溶高地、岩溶斜坡2个二级古地貌单元,即北东部岩溶高地、中西部岩溶斜坡。其中岩溶斜坡进一步划分为残丘、沟谷、洼地、落水洞等4个三级古地貌单元。

岩溶高地:小范围出现在北东角,古地势相对较高,风化壳开壳层位为马三段,以垂向渗流为主导致的岩溶作用较弱,储集性较差。

岩溶斜坡:位于中西部,占据区内绝大部分面积,古地势适中,风化壳开壳层位为马四段,岩溶作用以垂向渗流和水平潜流为主,碳酸盐岩储层改造强烈,地貌复杂多样,区内5口钻井均揭示在马四段发育不同程度的溶蚀孔洞。

沟谷和洼地是经受强烈侵蚀、下切而形成的树枝状、条带状古水系汇流带,为地表和地下水排泄的主渠道[7]。在古地形及古水动力场作用控制下,发育于周边相对高地势区的古水系沿着古岩溶斜坡地形,缓慢汇聚到工区中部相对低势的洼地。由于水力梯度小,岩溶作用充分,为斜坡区古风化壳岩溶缝洞的发育创造了良好条件,在差异化溶蚀作用下,斜坡区南西部形成局部分布的丘状古残丘。在斜坡区中南部,由于地表水系垂直渗流及下切侵蚀作用,还存在多处孤立状的落水洞。

3 油气勘探意义

HJQ区内5口井均处于岩溶作用有利的古地貌斜坡区,实钻结果表明三级古地貌单元发育了不同程度的溶蚀缝洞,且与缝洞充填性关系较密切,从而直接影响了油气产能。从这5口井分别所处的古地貌单元位置、马四段残留厚度、缝洞厚度、缝洞充填性及测试产量等钻探统计结果可知,W1井和W2井获得3×104m3/d左右的工业气流,效果最佳,W3井次之,W4井和W5井失利。

从精细恢复的微古地貌上看,W1井和W2井处于残丘发育区,马四段残留地层保存较全,溶蚀作用较充分,缝洞基本未充填,产量最高;W3井靠近岩溶高地,尽管缝洞未被充填,但岩溶作用以垂向渗流为主导,对储层改造程度较弱,测试产能偏低;W4井和W5井分别处于沟谷及洼地单元,水动力条件强。马四段在漫长的侵蚀作用下一方面会导致残余地层厚度明显减小,另外由于古水系的汇聚,发育的溶蚀缝洞被泥质完全充填,测试无产能。

综上,实际钻井证实,古地貌斜坡区残丘部位及沟谷周边溶蚀作用较强,易形成良好的溶蚀缝洞储集体,缝洞不易被泥质充填,是油气聚集成藏的有利指向区;沟谷及洼地中心部位储集空间易被泥质充填,在油气滚动勘探中应尽力避免。